腹板开孔冷弯薄壁槽钢梁屈曲性能研究★

刘宝琦 赵金友 陈天威 杨守一 张佳乐 祝怡晴

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

腹板开孔冷弯薄壁槽钢梁已广泛应用于实际工程，如北京国际机场候机大厅和广州国际会议会展中心［1］。腹板开孔方便电路管线和管道设施等建筑用线从构件中穿过，并减轻结构的自重，但开孔改变了构件的应力分布和屈曲模式等［2］。

国内外学者已对腹板开设不同形状孔洞的腹板开孔冷弯薄壁型槽钢梁的屈曲性能进行了研究，国外学者Moen［3］、国内学者王春刚［4］和赵金友［5］等对腹板开矩形孔冷弯薄壁型钢梁的屈曲性能进行了研究;国内学者王莉萍［6］对腹板开圆孔冷弯薄壁组合截面梁屈曲性能进行了研究。目前尚未见腹板分别开设不同形状孔洞的冷弯薄壁槽钢梁屈曲性能的研究。本文通过对不同开孔个数和不同形状孔洞的腹板开孔冷弯薄壁槽钢梁进行了线性和非线性的有限元分析，探究不同形状孔洞对腹板开孔冷弯薄壁梁屈曲性能的影响。

1 有限元模型

1.1 验证有限元模型

利用有限元分析前，对文献［5］中已有试验的短卷边腹板开矩形孔冷弯薄壁槽钢梁进行了模拟，模拟结果和试验结果对比见表1，由表1可知，有限元模拟与试验的屈曲模式基本一致，有限元模拟与试验的极限抗弯承载力误差仅为3.1%。表明了采用有限元软件ANSYS分析此类构件的可行性。

表1 短卷边构件有限元分析与试验结果对比

1.2 选取构件截面参数

构件分析模型及弯矩示意图如图1所示，构件长度L=3 720 mm，中间研究区段l=1 200 mm，构件截面尺寸示意图如图2所示，具体为:腹板高度H=200 mm，孔洞高度A=0.5H(即孔洞高度分别为100 mm)，为使不同形状孔洞具有相同的面积率和应力应变，运用等效面积法使圆孔转换成等高的矩形孔洞，即矩形孔宽度为78.5 mm。板厚t=2.0 mm，孔洞数目N分别为1个、2个和3个，卷边长度a=20 mm。

图1 构件分析模型及弯矩示意图

图2 构件截面尺寸图

2 有限元计算结果分析

有限元分析分为两个过程，分别是特征值屈曲分析和非线性分析;特征值屈曲分析是完全理想无缺陷的构件在弹性状态下可能出现的屈曲模式;非线性分析是在特征值屈曲分析的基础上施加初始缺陷的构件在几何和材料双重非线性下的分析。

2.1 特征值屈曲分析结果

当孔洞数目分别为1个、2个和3个时，开圆孔构件的特征值屈曲模式图均呈现的是反对称的纯畸变屈曲，如图3a)所示;开矩形孔构件的特征值屈曲模式图也均呈现的是反对称的纯畸变屈曲，如图3b)所示。

图3 特征值屈曲模式图

2.2 非线性屈曲性能分析

2.2.1 屈曲模式

当孔洞个数分别为1个、2个和3个时，开圆孔构件的破坏模式均呈现的是以畸变为主的畸变和局部的相关屈曲，如图4a)所示;开矩形孔构件的破坏模式也均呈现的以畸变为主的畸变和局部的相关破坏模式，如图4b)所示。

2.2.2 极限抗弯承载力

图5是腹板分别开设等面积等高度的开圆孔和开矩形孔的冷弯薄壁槽钢梁在非线性条件下的极限抗弯承载力随着孔洞个数变化的情况。

从图5可以看出，与未开孔构件相比，开圆孔构件和开矩形孔构件的极限抗弯承载力均呈现下降的趋势;开圆孔构件和开矩形孔构件的极限抗弯承载力随着孔洞数目的变化均有较小的影响。当孔洞数目为1个时，开矩形构件的极限抗弯承载力高于开圆孔构件;当开孔数目为2个和3个时，开圆孔构件的极限抗弯承载力高于开矩形构件，且两种构件在不同孔洞个数情况的具体极限抗弯承载力如表2所示。

图5 开孔构件极限抗弯承载力随开孔个数变化图

表2 不同孔构件的极限抗弯承载力随孔高比的变化情况

3 结语

通过对不同开孔个数和开设不同形状孔洞的冷弯薄壁槽钢梁进行纯弯状态下有限元分析，得出结论:当冷弯薄壁槽钢梁分别开设等面积等高度圆孔和矩形孔时，开设不同形状孔洞对构件的屈曲模式有较小的影响。